發(fā)布時間：2020-05-29 01:00

【摘要】：當今世界上各種科學技術測量中,最為準確的要算是對時間頻率的測量了。現(xiàn)在國際上正式采用銫原子躍遷頻率9192631770Hz作為時間單位“秒”(s)的定義,即“1s是相當于銫原子基態(tài)超精細能級躍遷輻射周期的9192631770倍的持續(xù)時間”�！懊搿倍x的頻率為位于海平面上的~(133)銫(~(133)Cs)原子基態(tài)在零磁場中的兩個超精細能級的躍遷頻率,銫冷原子噴泉鐘作為能復現(xiàn)上述“秒”定義的裝置,實際上各種環(huán)境以及系統(tǒng)因素的干擾,會使輸出信號的頻率與基準頻率有頻率偏移。閉環(huán)后銫原子噴泉鐘給出的誤差信號,通過伺服控制系統(tǒng)使受控晶體振蕩器的頻率得到糾正,輸出信號頻率的穩(wěn)定性決定于原子躍遷頻率的穩(wěn)定性。原子頻標的基本性能指標是其頻率穩(wěn)定度和頻率不確定度。頻率穩(wěn)定度描述輸出信號的波動程度,一般采用阿侖方差表征,這種波動是由頻率噪聲引起的,探測激光噪聲是影響頻率穩(wěn)定度的重要來源之一。頻率不確定度表示輸出頻率與其標稱頻率的吻合程度,由各種物理因素引起的相對頻移的不確定度的合成來估算,其中,冷原子碰撞頻移是很重要的一項,它的頻移不確定度的評估直接影響到銫原子噴泉鐘準確度的性能指標。本學位論文圍繞噴泉鐘的兩大性能指標頻率穩(wěn)定度和頻率準確度展開研究,首先在具有抗振特性的外腔半導體激光器基礎上,研究了具有調制轉移光譜的穩(wěn)頻技術對銫原子噴泉鐘探測激光系統(tǒng)進行穩(wěn)頻;研究了能夠獲得高低密度原子樣品數目比例恒為2的選態(tài)冷原子團的量子絕熱躍遷技術。然后在實現(xiàn)的技術基礎上,測得了銫原子噴泉鐘的冷原子碰撞頻移及其不確定度,具體可將研究內容和成果歸納為以下四個方面:(一)銫原子噴泉鐘探測激光系統(tǒng)的穩(wěn)頻。NTSC-CsF1的852nm波長的抗振外腔半導體激光器,它具有參數自恢復鎖頻功能,且準直性好、亮度高,在此基礎上,搭建調制轉移光譜技術的電路和光路穩(wěn)頻系統(tǒng),成功應用于銫原子噴泉鐘裝置。分析研究了基于電光調制器EOM的調制以及近簡并四波混頻后的光束通過探測器后的拍頻所實現(xiàn)的調制轉移的原理,測試了所獲得的探測激光的飽和吸收光譜及其誤差信號的特性。在誤差信號的鑒頻基礎上,能夠獲得信噪比更高、鎖頻時間更長的探測激光頻率,提升了探測激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(二)銫原子噴泉鐘選態(tài)樣品原子的制備。在銫原子噴泉鐘光學系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、微波頻率綜合系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電子學系統(tǒng)共同工作的基礎上,搭建滿足量子絕熱躍遷條件的微波頻率、功率綜合系統(tǒng),成功的制備了高低原子團數目比恒為2的選態(tài)冷原子團。分析研究了銫原子噴泉鐘的選態(tài)過程及原理,分析了量子絕熱躍遷的過程和原理,測得了所獲得的高低密度比為2的選態(tài)冷原子團的數目波動比以及百秒穩(wěn)定度。在量子絕熱躍遷基礎上得到了按事先預計好的成倍數關系的冷原子樣品。(三)頻率、功率隨任意波形變化的微波功率模塊的研制。在量子絕熱躍遷技術理論及實驗可行的基礎上,把所需設備及元件進行模塊化,易于操作。目前國內相關的產品可以滿足該要求,需要零件進行集成。最后根據實驗測試,成功研制了這個功率模塊。(四)冷原子碰撞頻移的評定技術研究。在量子絕熱躍遷技術制備選態(tài)冷原子團,獲得冷原子團高低數目密度比恒為2的基礎上,采用高低密度交替上拋運行250個周期的方法,連續(xù)運行15天,測得冷原子團高密度及低密度的頻率。分析研究了原子密度與冷原子碰撞頻移的原理,分析了差分法測量冷原子碰撞頻移所滿足的條件,分析了冷原子碰撞頻移及其不確定度的計算方法,測得了銫原子噴泉鐘的冷原子碰撞頻移及其不確定度,得到了更好的評定指標。
【圖文】：

銫原子噴泉鐘的原理圖

圖2.2雙能級探測系統(tǒng)圖
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家授時中心)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM935.1

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本文編號：2686123